AI 9Fragment dużego tekstu prawdopodobnie z 1989 roku.
Granica między optymalizacją, wybitnie złożonym sterowaniem złożonego systemu a Artificial Intelligence jest płynna.
Wielki Kryzys zaszkodził handlowi międzynarodowemu a praktyki protekcjonistyczne jedynie pogorszyły sprawę. II Wojna Światowa była następstwem Kryzysu. Kończąca się Zimna Wojna też ograniczała międzynarodową wymianę towarowa i ludzką.
Pasażerskie przewozy lotnicze rosną od dawna a bilety tanieją co przyciąga mniej zamożnych masowych klientów. Długotrwałe podróże męczą i zniechęcają podróżnych. Stąd szybkie japońskie pociągi Shinkansen i francuskie TGV. W zachodnich gospodarkach rynkowych dostarcza się towaru który klienci kupują. Rozbudza się reklamami potrzeby konsumentów.
Spektakularne wypadki lotnicze w których ginie wiele osób negatywnie oddziaływują na branże lotniczą. Transport lotniczy to ogromna gałąź nowoczesnego (!) przemysłu. Część potencjalnych chętnych po prostu boi się latać. Bardzo drogie są ubezpieczenia linii lotniczych.
Duży jest udział wypadków lotniczych przy lądowaniu i czasie startu. Z czego to wynika ? Rozbierzmy sprawę na elementy pierwsze.
0. Podczas lotu samolotu pilot lub system automatyczny ( w najprostszym razie AutoPilot ) steruje lotkami oraz sterem kierunku i wysokości. Sterowania są częściowo zależne. Nie są one rozprzężone konstrukcją mechaniczną samolotu.
Samolot ma trzy ortogonalne osie:
- Wzdłużną od kokpitu do ogona
- Poprzeczną łącząca końcówki skrzydeł
- Pionową ortogonalną do wzdłużnej i poprzecznej
Wzdłużne pochylenie ( pitch ) zmienia się sterem wysokości.
Poprzeczne przechylnie ( roll ) zmienia się lotkami na skrzydłach.
Odchylenie pionowe ( yaw ) zmienia się sterem kierunku
Skrzydłami zajmuje się aerodynamika będąca działem mechaniki płynów. Rozwiązania równania Navier-Stokesa nawet dla najprostszych geometrii są trudne do znalezienia analitycznego. Obecną normą jest projektowanie w oparciu o metody numeryczne FEM i eksperymenty. Czy automatyczne wynalezienie najlepszego kształtu skrzydła to już AI czy jeszcze nie ?
Także kształt kadłuba samolotu ma duże znaczenie. Skrzydła dla samolotu pasażerskiego w roboczej konfiguracji mają dać jak najmniejsze zużycie paliwa dla prędkości kursowej na wysokości przelotu. Zupełnie inne są wymagania dla skrzydeł myśliwca czy samolotu hipersonicznego.
Model dynamiczny samolotu jest dość złożony ale od dawna rozpracowany w szczegółach. Przy dużych pochyleniach / przechyleniach / odchyleniach trzeba w modelu lub sterowaniu stosować funkcje trygonometryczne ( wyliczanie ich jest czasochłonne i dlatego trzeba wartości funkcji stabelaryzować i interpolować ) bowiem linearyzacje przestają być słuszne. W takie niebezpieczne sytuacje samolot w ogóle nie powinien wchodzić. Normalnie sterowanie samolotem jest proste ale do wyprowadzenia samolotu z korkociągu trzeba użyć dość złożonego regulatora nieliniowego.
W dużych samolotach każdy ster ( z niezależnym siłownikiem hydraulicznym i sterowaniem ) jest podzielony na dwa mniejsze aby po awarii jednego półsteru samolot nie tracił kompletnie sterowności.
1. W masie samolotu na wysokości zgromadzona jest energia potencjalna pola grawitacyjnego Ziemi i energia kinetyczna poruszającego się samolotu. Opór aerodynamiczny samolotu rozprasza energie. Samolotowi mocy i energii dostarcza silnik odrzutowy swoim ciągiem lub w mniejszych samolotach napędzane silnikiem śmigło.
Przy określonym otwarciu przepustnic po zwiększeniu sterem wysokości kąta natarcia skrzydeł zwiększa się siła nośna i samolot zwiększa wysokość ale spada jego prędkość. Energia kinetyczna zmieniła się w energie potencjalną grawitacji. Siła nośna zwiększa się aż do krytycznej wartości kąta natarcia ( dla danej prędkości ) i zaczyna po tym spadać czemu towarzyszy nielaminarny opływ powietrza wokół skrzydła i silne wibracje. Zbyt ostre zadarcie nosa samolotu w końcu spowoduje że on zwiększając wysokość straci prędkość a skrzydła przestaną wytwarzać siłę nośną. Mówi się o przeciągnięciu i przepadnięciu samolotu. Istotnie gdy samolot był na niewielkiej wysokości po prostu spadnie na Ziemie i nie ma dla niego ratunku. Gdy samolot był wysoko to po skierowaniu nosa w dół i maksymalnym zwiększeniu mocy silnika samolot niemal natychmiast odzyskuje sterowność. Gdy przepadający samolot wpadł w korkociąg komputer sterujący może go z niego wyprowadzić ( jeśli samolot się nie rozleciał na skutek działających na niego sił ) o ile wystarczająco szybkie są serwomechanizmy skrzydeł i stateczników. Pilot jest zbyt wolny aby wyprowadzić samolot pasażerski z korkociągu. Pilot może łatwo wyprowadzić z korkociągu mały samolot do lotów akrobacyjnych lub myśliwski odrzutowiec o bardzo dużym stosunku ciągu silników do masy samolotu.
Przede wszystkim nie wolno wprowadzić warunków do przepadnięcia samolotu lub nawet bliskich temu. Pilot który dopuścił się takiego niedbalstwa czy lekceważenia musi być usunięty.
Obniżając dziub i lot samolot nabiera prędkości. Samoloty pasażerskie latają z prędkością ca 0.8 Macha i nie wolno im lecieć za szybko bowiem zbliżając się do granicy dźwięku na skutek naprężeń i wibracji może ulec uszkodzeniu poszycie i struktura samolotu.
Samolot schodząc z dużej wysokości z pełną mocą silników dojdzie do granicy dźwięku lub ją przekroczy i się rozpadnie.
2. Przed lądowaniem trzeba rozproszyć ogromną energię kinetyczną i potencjalną samolotu. Siłę nośna wytwarzają skrzydła samolotu. Aby uczynić lądowanie możliwym, od tyłu krawędzi skrzydeł wysuwają się do tyłu-dołu Flapy ( klapy) i skrzydła są przedłużone a od przodu są przedłużone wystawionymi do przodu Slotami. W rezultacie skrzydła wytwarzają przy mniejszej prędkości wystarczającą siłę nośną a zarazem stawiają znacznie większy niż normalnie opór aerodynamiczny hamujący samolot. Opór stawiają także wysunięte Spoilery. Energia kinetyczna i potencjalna zostają rozproszone i samolot zwalniając może z bezpieczną prędkością wolno opadając dotknąć pasa. Flapy można wysunąć dopiero przy odpowiednio małej prędkości samolotu bowiem inaczej strumień powietrza może je uszkodzić a nawet urwać z fatalnym finałem.
Pomijając przypadki oczywistych błędów pilotów jak złe skonfigurowanie samolotu ( flapy, sloty i spoilery trzeba dokładnie wysunąć na tyle ile potrzeba w konkretnym lądowaniu ) to złe warunki atmosferyczne, prądy powietrza, uskoki wiatru i wiatr w "plecy" znakomicie utrudniają lądowanie i gwałtownie powiększają prawdopodobieństwo uszkodzenia samolotu lub wypadku. W metalowej strukturze samolotu powtarzające się duże naprężenia powodują rozwijające się latami mikropęknięcia zmęczeniowe które w końcu powodują nagłe uszkodzenie samolotu. Tak więc każde nieidealne lądowanie sporo kosztuje, nawet jeśli nie kończy się od razu jakąś naprawą. Skutek twardego ( z odbiciem ) posadzenia samolotu może ujawnić się po 20 latach. Wydaje się że samoloty powinny mieć akcelerometr i komputer winien sumować naprężenia. Samolot bez incydentów z dobrze przeprowadzonymi remontami i przeglądami może bezpiecznie latać ponad 20 lat. Gdy miał incydenty może okazać się konieczne jego wycofanie już po 5-10 latach. Także gwałtowne manewry wprowadzają niepotrzebne naprężenia.
Komputer samolotu mając wiarygodne dane może podpowiedzieć pilotom optymalną konfiguracje samolotu a nawet przy braku ich sprzeciwu ją wprowadzić.
Po wylądowaniu natychmiast musi być włączony odwracacz ciągu ( thrust reverser ) silników, który jest skuteczny przy dużych prędkościach i następnie włączone hamulce kół. Bez aktywności odwracacza ciągu samolot nie zatrzyma się na krótszych pasach startowych a przeciążone - przegrzane hamulce ulegną spaleniu.
Gdy przy pierwszym dotknięciu kół samolot ma zbyt dużą prędkość aby zatrzymać się na pasie natychmiast należy maksymalnie zwiększyć moc silników, schować spoilery i poderwać samolot. Po zrobieniu kółka można ponownie lądować.
Samoloty pasażerskie od dawna mają wypadkowe rejestratory rozmów w kokpicie i rejestratory parametrów lotu. Ale dane z lotu powinny być linkiem radiowym na bieżąco przekazywane do centrali lub zapisywane na dysk HD tak by można było je na lotnisku łatwo zgrać. Na bieżąco można oceniać pracę pilotów i tych nieprzestrzegających reguł zwolnić. Jeśli piloci byli blisko stanu przeciągnięcia, źle startują, niebezpiecznie ląduja i niepotrzebnie gwałtownie manewrują to nie ma na co czekać aż zabiją pasażerów.
3. W czasie startu samolotu znów wysunięte są flapy oraz sloty i skrzydła wytwarzają zwiększoną siłe nośną. O ile zwiększony przez nie opór aerodynamiczny był bardzo korzystny do lądowania ( pozwala przy opadaniu samolotu zwolnić ) to jest niekorzystny dla startu bo hamuje samolot. Gdy samolot osiąga wystarczającą prędkość pilot podnosi dziub i samolot się wznosi. Podczas startu silniki pracują z pełną mocą co niekorzystnie odbija się na ich trwałości.
Tempo wznoszenia samolotu ma kapitalne znaczenie dla bezpiecznego startu. Przy małych prędkościach ciąg silnika zmienia się niewiele i jego moc jest proporcjonalna do prędkości samolotu. Gdy samolot stoi zahamowany na lotnisku pracujące silniki nawet ze sporym ciągiem nie oddają samolotowi żadnej mocy. Toteż po oderwaniu od Ziemi przy wznoszeniu, circa 70% mocy silnika ma iść na zwiększanie prędkości samolotu a 30% na zwiększanie wysokości. Wydaje się to dziwne ale pamiętać należy że prędkość samolotu zawsze można przetworzyć na wysokość a im szybciej leci samolot tym większą moc ( przy stałym ciagu ) mają silniki i szybciej gromadzi się energia kinetyczna i potencjalna w masie samolotu a zarazem szybciej można schować flapy i sloty co zmniejsza opór aerodynamiczny i samolot szybko nabiera prędkości. Chwila po oderwaniu się od Ziemi jest niebezpieczna z uwagi na możliwy zakłócający lot silny porywisty wiatr i opadające prądy powietrza ale trwa krótko. Gdy pilot zbyt ostro poderwie samolot może on przeciągnąć ogon samolotu po lotnisku i po chwili przepaść !
4. Ruchem samolotów wokół lotniska i na nim kierują kontrolerzy na lotniskowej wieży. Uczęszczane lotnisko winno mieć radar pogodowy albo link do takiego radaru. Programy komputerowe stawiają coraz lepsze prognozy pogody. Obecnie kontrolerzy na "oko" oceniają ryzyko startu i lądowania. Czynność ta domaga się automatyzacji przez quasi AI. Program musi wziąć do wyliczeń wszelkie dane prognozowe i pomiarowe ( także dane na przykład o stanie lotniskowych radiowych urządzeń naprowadzających do lądowania na instrumentach ) jakie są dostępne oraz dane z bazy danych i rzetelnie ocenić koszt lądowania biorąc pod uwagę rozkład prawdopodobieństwa różnych incydentów i wypadku. Jeśli oceniony koszt ( w tym koszt życia zabitych ludzi przy wypadku ) jest zbyt wysoki samolot trzeba skierować na inne lotnisko gdzie jest dobra pogoda jeśli tylko samolot ma wystarczającą ilość paliwa i na zapasowym lotnisku są dobre warunki. Po co samolot ma lądować przy niebezpiecznym wietrze nadwyrężajac podwozie i strukturę i strasząc pasażerów ? Po co lądować w gęstej mgle lub w nocy przy zerowej widoczności gdy szwankują radiowe urządzenia naprowadzające na lotnisku ? Przecież to jest proszenie się o kłopoty albo śmierć. Można i trzeba profilaktycznie zapobiec startowi gdy nie będzie możliwości dobrego wylądowania.
5. Już pasażerski odrzutowiec Lockheed L1011 Tristar z 1971 roku miał zautomatyzowany zaprogramowany lot i automatyczne lądowanie na przyrządy radiowe lotniska. Samolotem zajmowały się komputery a piloci mogli zjeść posiłek i porozmawiać sobie.
Sprawa autonomicznego samosterowania samolotu pasażerskiego nie jest prosta z wielu powodów a jednym z nich jest opinia publiczna, z którą każdy musi się liczyć. W USA już na przełomie wieków opracowano i wprowadzono automatyczne bezobsługowe windy. Klienci nie chcieli ich używać bowiem wymagało to zmiany przyzwyczajeń a niektórzy klienci się bali. Zbędni windziarze byli zatrudniani blisko pół wieku. W ostatnich dniach przed końcem wojny przeprowadzono kampanie reklamowo - propagandowo - informacyjną i na fali radości i optymizmu z zakończenia II Wojny windziarze szybko zniknęli z wind.
Rakiety od lat precyzyjnie lecą do celu który ma być zniszczony. Autonomiczny samolot musi mieć niezawodny link VHF do otrzymywania informacji o wymaganej zmianie trasy lotu z powodu złych warunków pogodowych lub konieczności zmiany lotniska. System radarów śledzących wszystkie samoloty momentalnie może zareagować jeśli któryś z samolotów zboczy z nakazanego kursu. Pośrednictwo kontrolerów ruchu jest zbędne i wprowadza duże destabilizujące kontrolowany system opóźnienie.
Krytyczne systemy samolotu są redudantne i jedno czy nawet dwa uszkodzenia nie powinny naruszyć bezpieczeństwa lotu i pasażerów.
Piloci tak naprawdę są potrzebni w stanach awaryjnych ale niestety w godzinie próby większość z nich zawodzi. Przy awarii natychmiast wyłącza się Autopilot i regulator ciągu silników. Włączają się świetlne i akustyczne ostrzeżenia i alarmy często dezinformujące pilotów. Piloci zdani są na siebie. Zdarzały się przypadki doprowadzenia samolotu na lotnisko i wylądowania po poważnym uszkodzeniu wyposażenia a nawet struktury samolotu ! Piloci zachowali zimną krew i zdolność myślenia. Niestety w większości wypadków piloci sobie nie radzą choć mogliby opanować sytuacje.
To co obecnie robią piloci (kapitan i I oficer ) to zadania rutynowe poddające się automatyzacji i algorytmizacji. Tymczasem linie lotnicze bardzo drogo opłacają ich rzekome wyjątkowe kwalifikacje, których piloci tak naprawdę nie mają.
Co oprócz pół - rutynowych zadań wytyczenia trasy i optymalnego skonfigurowania samolotu do startu i lądowania, startu, pilotowania i wspomaganego z Ziemi ominięcia burzy lub zabronionego obszaru i lądowania powinien robić Inteligentny system samolotu ?
- Winien na Ziemi przeprowadzać okresowe automatyczne testy czego tylko się da. Testy servomechnizmów mechaniki skrzydeł oraz stateczników poziomych i pionowych. Testy sensorów dymu. Testy sprawności instalacji elektrycznej i stanu akumulatorów. Testy pomp paliwa i oleju hydraulicznego. Wynik testu kanałem VHF natychmiast winien trafić na server linii lotniczej i komputery obsługi. Pracownicy obsługi winni mieć świadomość że dopuszczając do ruchu niesprawny samolot poniosą konsekwencje dyscyplinarne i karne.
- Winien cyfrowym radiotelefonicznym kanałem VHF wysyłać na Ziemie wszelkie informacje o nienormalnym sytuacjach. Nawet "wyskoczenie" bezpiecznika świadczy o zwarciu w zasilanym urządzeniu lub co gorsza w instalacji. Zwarcie w instalacji oznacza bardzo niebezpieczne mechaniczne - zmęczeniowe uszkodzenie wiązki przewodów. Po zadziałaniu bezpiecznika grupa urządzeń jest wyłączona. Nieustalonego żródła wibracje są złą prognozą i trzeba uparcie szukać ich żródła.
- Winien scalić i odszumić przychodzące do niego informacje z sensorów samolotu. Przy awarii pojedynczych przyrządów musi lekceważyć informacje z tych przyrządów. W wypadku szybkiego lub jednoczesnego uszkodzenia wielu sensorów musi z jak największym prawdopodobieństwem korzystając ze wszystkich informacji ustalić co się stało. Na przykład przerwana lub uszkodzona została wiązka przewodów J27C. Powinien wskazać prawdopodobne mechaniczne uszkodzenia samolotu i wybrać awaryjny algorytm sterowania samolotem.
W tych zadaniach komputery są wielokrotnie szybsze niż zaskoczony awarią pilot.
6. W przemyśle od dawna znane jest zjawisko przeciążenia operatora nadmiarem informacji i wadliwym prezentowaniem informacji oraz przeciążeniem w sytuacji rutynowej lub awaryjnej, nadmiarem czynności. Wszelkie badania wskazują na to że w pośpiechu popełnia się kilkanaście razy więcej pomyłek niż normalnie. Działanie pod presją okoliczności lub w panice musi doprowadzić do grubych pomyłek i tragedii.
Przemysłowe regulatory montowane są obok siebie w pasach tak aby w sytuacji normalnej ich wskazania tworzyły zieloną linie i aby od razu można było zauważyć regulator - proces którego błąd regulacji wyszedł poza granice tolerancji. Jeśli wszystko jest w porządku nie powinny się jasno palić żadne lampki i wskaźniki. Jeśli ktoś podejrzewa że system jest martwy może nacisnąć przycisk "Lamp Test" i zapalą się wszystkie lampki i ewentualnie wyświetlacze. Oczywiście alarm winien sygnalizować że coś nie pracuje.
7. Czynnik ludzki. Piloci powinni być wyspani i wypoczęci. Przepracowanie, zmęczenie, stres, brak snu ( nie mogą zasnać w nowym miejscu ), alkohol, narkotyki, prostytutki - wszystko to radykalnie podnosi możliwość popełnienia błędu lub serii błędów. W danych personalnych powinna być informacja o czasie dojazdu pilota z miejsca zamieszkania. Jaką rolę mają do odegrania systemy informacji i automatyki. Program może i powinien sprawdzać czy piloci nie za dużo pracują. Losować pilotów do kontroli trzeźwości. Ufać ale kontrolować ! Z kontrolą jednak nie wolno przesadzać.
Wiele systemów wydaje się dobre ale nie uwzględniają jak należy czynnika ludzkiego - że to tylko ludzie tam pracują i będą w różnych okolicznościach kombinować.
8. Z uwagi na wysoki koszt odpalenia pocisków na poligonie, budowane są przez producentów symulatory wyrzutni pocisków przeciwpancernych i przeciwlotniczych.
Symulatory samolotów z repliką kokpitu pozwalają szkolić pilotów i sprawdzać ich umiejętności.
W czasie II Wojny symulatory lotów były już masowo używane przez aliantów do szkolenia pilotów. W 1948 roku linie American Airlines zakupiły symulator samolotu Boeing do szkolenia pilotów.
Krokiem naprzód były skomputeryzowane symulatory skonstruowane i używane przez NASA. Użycie symulatorów przez NASA było koniecznością.
"Kokpit" w zaawansowanym symulatorze samolotu umieszczony jest na platformie Stewarta poruszanej 5 liniowymi siłownikami hydraulicznymi. Kokpit może być dzięki temu odchylony w każdą stronę co dodaje realizmu w szkoleniu i teście.
Zachowanie samolotu współcześnie symuluje program komputerowy. Program ten jak najwierniej winien odwzorowywać samolot.
Taki program może posłużyć do testu tworzonego systemu sterowania. Wystarczy zamiast sygnałów ( już w postaci cyfrowej ) z volantu i innych organów pilota podać sygnały sterujące wypracowywane przez testowaną nową automatykę.
9. W lotnictwie z uwagi na wymaganą wysoką niezawodność stosuje się systemy redudantne lub zapewnia kontrolowalność - bezpieczeństwo w inny sposób.
Niezależne systemy nie powinny się krzyżować. Przykładowo uszkodzenie jednego systemu oleju hydraulicznego nie powinno zaburzyć pracy drugiego systemu. Każdy z silników powinien być zasilany z niezależnych systemów paliwowych i móc po zmianie konfiguracji czerpać paliwo z każdego zbiornika.
System alarmów winien "pilotom" ( lub programowi ) dawać jak najlepsze informacje. Gdy silnik zgasł to pilot powinien otrzymać informacje z jakiego konkretnie powodu zgasł. Jeśli silnik zgasł z powodu braku paliwa to bezcelowe jest próbowania uruchamiania go. Jeśli silnik zgasł w powodu ciężkiego deszczu to pilot musi skupić wysiłki na szybkim wyjściu z burzy bo straci pozostałe silniki. Po tym może silnik uruchomić.
10. Czy samoloty wojskowe powinny być dalej pilotowane ? Pilot samolotu myśliwskiego otrzymuje dane ze skomputeryzowanego radaru i cele wybiera na ekranie monitora. Samoloty mają system Friend or Foe (Swój - Obcy ) i blokują atakowanie Swojego. O ile w dzień pilot coś widzi (pod Słońce nic nie widzi ) to w nocy zdany jest na przyrządy. System ostrzega pilota o nadlatującej wrogiej rakiecie. Krytyczna byłaby dla samolotu bezpilotowego łączność - od tego są satelity.
Uzbrojone w głowice jądrową poddźwiękowe manewrujące nisko nad ziemią "pociski" amerykańskie Cruise Missile koncernu Boeing napędzane są silnikiem odrzutowym tak jak samolot i mają skrzydełka. Mają sterowanie bezwładnościowe i link satelitarny. Ich dokładność jest rzędu 10 m. Pociski mają w pamięci mapę terenu. Z racji niskiej wysokości lotu są niewykrywalne dla radaru. Część pocisków z duża ilością płatków aluminium ma ogłupić wrogie systemy radarowe.
Samolot nośnik typu B52, który jest zbyt łatwym celem, z dużej odległości "odpala" pociski.
Dysponując linkiem komunikacyjnym o dużej pojemności z bezzałogowym samolotem z kamerami personel naziemny może zdalnie operować samolotem i jego bronią na podstawie obrazów z kamer.
11. Gdzie się zaczyna i kończy system sterowania a zaczynają i kończą systemy informacji.
System sterowania kończy się na servomechanizmach i organach wykonawczych ( także binarne włączanie / wyłączanie i zmiana konfiguracji ) a zaczyna na sensorach ( także naziemnych ! ) i sygnale zadanym z komputera trasy lotu i/lub volancie.
Militarne systemy informacji pracujące na połączonych sieciami komunikacyjnymi komputerach pracują od końca lat pięćdziesiątych. Sieci cały czas są doskonalone i rozbudowywane.
Często jest tak że używanych jest kilka niewspółpracujących ze sobą systemów informacji do różnych zadań. Mimo iż w systemach informacje są, to nie są one szeroko wykorzystywane choć mogą i powinny być automatycznie wykorzystywane. "Każdy sobie rzepkę skrobie" - brak jest integracji systemów i pełnego wykorzystania danych. Karygodną głupotą jest zbieranie danych które nie są następnie wykorzystywane !
